Солнечные паруса представляют собой одну из самых элегантных концепций в исследовании космоса: использование солнечного света для движения космических аппаратов без топлива. Однако эти тонкие и лёгкие конструкции сталкиваются с серьёзной инженерной проблемой, которая преследует миссии с момента их создания — поддержание контроля при движении на солнечном ветре.
Как работают солнечные паруса
Солнечные паруса улавливают фотоны от солнца, подобно тому как ветер наполняет парус корабля. Эти сверхтонкие отражающие полотна могут достигать десятков метров в размерах и весить всего несколько килограммов, предлагая теоретически неограниченную тягу для миссий в глубоком космосе. Однако их огромный размер по сравнению с массой создаёт проблему контроля.
Большинство космических аппаратов используют вращающиеся колёса, называемые реактивными колёсами, для изменения своей ориентации в космосе. Они работают как гироскопы, которые могут наклонять космический аппарат в любом направлении. Но солнечные паруса настолько велики и испытывают такие сложные воздействия от солнечного света, что эти реактивные колёса быстро перегружаются, вращаясь всё быстрее и быстрее, пока не достигнут своих пределов и не перестанут функционировать — это состояние называется «насыщением».
Потеря контроля
Когда это происходит, космические аппараты теряют контроль, что делает невозможным точное наведение приборов или поддержание правильной ориентации. Предыдущие миссии, такие как LightSail 2, требовали ежедневных «сбросов импульса» с помощью магнитных стержней для сброса, чтобы перезагрузить свои реактивные колёса, что ограничивало их операционную эффективность.
Решение от Университета Нового Южного Уэльса
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса предложили элегантное решение, вдохновлённое японской новаторской миссией IKAROS: устройства контроля отражательной способности (RCDs). Это, по сути, электронные зеркала, которые могут изменять способ отражения солнечного света одним нажатием кнопки.
RCDs — это тонкие гибкие мембраны, наполненные жидкими кристаллами, аналогичными тем, что используются в экранах ноутбуков. При подаче электричества они переключаются между двумя состояниями: высокоотражающим (зеркальным) и диффузно отражающим (рассеянным). Поскольку разные модели отражения создают разные силы от давления солнечного излучения, стратегически расположенные RCDs могут генерировать точные моменты для помощи в управлении ориентацией космического аппарата.
Стратегия управления
Исследовательская группа разработала умную стратегию управления, которая чередуется между двумя режимами работы. В обычном режиме «наведения на Землю» космический аппарат использует свои реактивные колёса для точного наведения во время проведения научных наблюдений. Когда реактивные колёса приближаются к насыщению, космический аппарат автоматически переключается в режим «наведения на солнце».
В режиме наведения на солнце солнечный парус поворачивается так, чтобы смотреть прямо на солнце, максимизируя эффективность RCDs. Затем электронные зеркала работают попарно: одни высокоотражающие, другие диффузно отражающие, создавая контролируемые дисбалансы в солнечном давлении, которые генерируют точные моменты, необходимые для замедления вращения реактивных колёс.
Результаты компьютерного моделирования
С помощью детального компьютерного моделирования с использованием космического аппарата, аналогичного LightSail 2, на солнечно-синхронной орбите на высоте 700 километров над Землёй, исследователи продемонстрировали, что RCDs могут успешно предотвращать насыщение реактивных колёс. Без RCDs реактивные колёса достигали своих пределов всего за 48 часов. С RCDs система работала бесперебойно более недели, причём сеансы сброса импульса длились около 5 часов и проводились примерно каждые два дня.
RCDs доказали свою способность генерировать моменты до 7,4 микроньютон-метров, что мало, но достаточно для противодействия постепенному накоплению импульса. Космический аппарат мог переключаться между режимами наведения на Землю и на солнце в течение 11 минут, поддерживая операционную эффективность и предотвращая сбои в системе управления.
Преимущества для миссий в глубоком космосе
Возможно, наиболее важно то, что RCDs предлагают преимущества для миссий в глубоком космосе, где традиционные инструменты управления импульсом, такие как магнитоторкверы, не могут функционировать. Магнитоторкверы полагаются на магнитное поле Земли, что делает их бесполезными за пределами непосредственной близости от нашей планеты. RCDs, работающие только от солнечного света, могут обеспечить точное управление ориентацией для миссий с солнечными парусами к астероидам, другим планетам или даже в межзвёздное пространство.
Технология также отличается механической простотой по сравнению с другими предлагаемыми решениями. В отличие от сложных карданных систем или подвижных масс, RCDs не имеют движущихся частей и добавляют космический аппарат минимальный вес. Их успешная демонстрация на IKAROS доказывает, что они могут работать в суровых условиях космоса.
Хотя текущая система RCD может контролировать только две из трёх осей вращения, требуя дополнительных систем для полного трёхмерного контроля, исследование демонстрирует практический путь вперёд для повышения надёжности и эффективности использования солнечных парусов. Простота подхода — по сути, умная краска, которая может менять свою отражательную способность по команде — может сделать солнечные паруса более привлекательными для будущих миссий.
Поскольку космические агентства и частные компании всё чаще обращают внимание на устойчивые, работающие на топливе методы движения для амбициозных исследований космоса, RCDs представляют собой важный шаг вперёд в обеспечении надёжности солнечного парусного спорта. Иногда самые сложные решения оказываются и самыми красивыми и простыми.